19.2: Tipi di radioattività

I tipi più comuni di radioattività sono il decadimento α, il decadimento β, il decadimento γ, l'emissione di neutroni e la cattura di elettroni.

Il decadimento alfa (α) è l'emissione di una particella α dal nucleo. Ad esempio, il polonio-210 subisce un decadimento α:

Il decadimento alfa avviene principalmente nei nuclei pesanti (A > 200, Z > 83). La perdita di una particella α dà origine a un nuclide figlio con un numero di massa inferiore di quattro unità e un numero atomico due unità inferiore a quello del nuclide genitore.

Il decadimento beta (β) è l'emissione di un elettrone o di un positrone da un nucleo. Lo iodio-131 è un esempio di nuclide che subisce il decadimento β^−:

L'elettrone emesso proviene dal nucleo atomico e non è uno degli elettroni che circondano il nucleo. L'emissione di un elettrone non modifica il numero di massa del nuclide ma aumenta il numero dei suoi protoni e diminuisce il numero dei suoi neutroni. Per la conservazione dell'energia viene emesso anche un antineutrino ().

L'ossigeno-15 è un esempio di nuclide che subisce emissione di positroni o decadimento β^+:

Il decadimento del positrone è la conversione di un protone in un neutrone con l'emissione di un positrone. Per la conservazione dell'energia viene emesso anche un neutrino (ν_e).

L'emissione gamma (emissione γ) si osserva quando un nuclide si forma in uno stato eccitato e poi decade al suo stato fondamentale con l'emissione di un raggio γ, un quanto di radiazione elettromagnetica ad alta energia. La presenza di un nucleo in uno stato eccitato è spesso indicata da un asterisco (*). Il cobalto-60 emette radiazioni γ e viene utilizzato in molte applicazioni, incluso il trattamento del cancro:

Non vi è alcun cambiamento nel numero di massa o nel numero atomico durante l'emissione di un raggio γ. Tuttavia, l'emissione γ può accompagnare uno degli altri modi di decadimento che comporterebbe un cambiamento nel numero di massa o nel numero atomico.

L'emissione di neutroni è l'espulsione di un neutrone dal nucleo. Può avvenire spontaneamente, come il decadimento del berillio-13 in berillio-12, o in risposta al bombardamento di raggi gamma o particelle. Durante questo processo il numero atomico rimane invariato, mentre il numero di massa diminuisce di 1.

La cattura elettronica avviene quando uno degli elettroni interni di un atomo viene catturato dal nucleo dell’atomo. Ad esempio, il potassio-40 subisce la cattura di elettroni:

La cattura elettronica avviene quando un elettrone del guscio interno si combina con un protone e viene convertito in un neutrone. La perdita di un elettrone del guscio interno lascia un posto vacante che verrà riempito da uno degli elettroni esterni. Quando l'elettrone esterno cade nel posto vacante, emetterà energia. Nella maggior parte dei casi, l'energia emessa sarà sotto forma di raggi X. La cattura degli elettroni ha sul nucleo lo stesso effetto dell'emissione di positroni: il numero atomico diminuisce di uno e il numero di massa non cambia.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 21.3: Radioactive Decay.

I radionuclidi si disintegrano nei nuclidi-figli insieme all'emissione di particelle o radiazioni elettromagnetiche. Le emissioni nucleari fondamentali includono particelle alfa, particelle beta, positroni, neutroni, raggi gamma e raggi X.Una particella alfa è composta da due protoni e due neutroni, simili al nucleo di elio-4. Ciascuna di queste particelle ha una carica in più.

Il decadimento alfa riduce il numero atomico di due e il numero di massa di quattro, come la conversione del polonio-210 in piombo-206. Il decadimento beta-minus è un'emissione di elettroni ad alta energia dal nucleo mediante conversione di un neutrone in un protone. Il nuclide-figlia ha un protone aggiuntivo, e il suo numero atomico è maggiore di uno rispetto a quello del nuclide-genitore.

Durante il processo, il numero di neutroni diminuisce di uno;tuttavia, il numero di protoni aumenta di uno. Pertanto, il numero di massa rimane invariato. Il decadimento beta-plus è la conversione di un protone in un neutrone, che emette una particella caricata positivamente dal nucleo.

Questa particella ha la stessa massa di un elettrone, rendendola un'antiparticella dell'elettrone, ed è chiamata positrone. Il positrone emesso riduce di uno il numero atomico di un nuclide-figlia. Il positrone ha vita breve perché collide rapidamente con un elettrone e ambo le particelle vengono annichilite.

La loro energia viene rilasciata sotto forma di due raggi gamma da 511 keV. L'emissione di radiazioni gamma si verifica anche quando un nuclide-figlia eccitato decade al suo stato fondamentale nucleare. Pertanto, il decadimento beta-meno del cobalto-60 produce un nichel-60 allo stato eccitato, che emette due raggi gamma mentre scende allo stato fondamentale nucleare.

Il numero di massa e il numero atomico non cambiano durante il decadimento gamma. L'emissione di radiazioni gamma avviene in combinazione con altre reazioni di decadimento nucleare. L'emissione di neutroni è l'espulsione di un neutrone dal nucleo.

Può accadere spontaneamente, come il decadimento del berillio-13 a berillio-12, o in risposta al bombardamento di raggi gamma o particelle. Il numero atomico rimane invariato durante questo processo, mentre il numero di massa diminuisce di uno. La conversione del potassio-40 ad argon-40 esemplifica l'emissione di energia dovuta alla cattura degli elettroni.

Il nucleo di potassio cattura un elettrone interno nell'atomo, e un protone si converte in un neutrone. Un elettrone esterno scende al livello interno per riempire il posto vacante, caratterizzato da un'emissione di raggi X con un'energia corrispondente alla transizione. Il potere di penetrazione delle particelle alfa, che sono le più massicce delle particelle nucleari, è molto basso, mentre la radiazione gamma attraversa la maggior parte dei materiali.

I neutroni e le particelle beta possono essere bloccati con efficacia da materiali relativamente leggeri.